鐘祥市磷礦區(qū)復(fù)合型地面塌陷形成機制研究

陳江軍， 石長柏， 蔡足根， 趙德君， 劉 波， 王 戈

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，湖北 荊州 434020; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430030)

鐘祥市磷礦資源豐富，開采歷史悠久，磷礦的開發(fā)利用為當?shù)亟?jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展作出了重大貢獻，但隨著礦產(chǎn)資源的日益枯竭，礦區(qū)地面塌陷等礦山地質(zhì)環(huán)境問題也逐漸凸顯。由于地面塌陷在時間上具突發(fā)性、在空間上具破壞性，產(chǎn)生的垂直位移變形不僅會導(dǎo)致地面建筑基礎(chǔ)設(shè)施變形破壞，也會危及人民的生命財產(chǎn)安全、影響社會和諧穩(wěn)定[1]、嚴重制約生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。因此，開展鐘祥市磷礦區(qū)地面塌陷的形成機制研究，查清地面塌陷的影響因素和致塌模式，提出地面塌陷防治對策建議，對磷礦區(qū)土地規(guī)劃利用以及保障百姓生命財產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對地面塌陷成因機制開展了諸多研究工作，取得了一系列成果與認識[2-3]。如在采空塌陷領(lǐng)域，謝曉深等[4]認為地面塌陷成因機制的研究重點在于對采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力應(yīng)變分析，并將上覆巖層的應(yīng)力變化分為壓應(yīng)力區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)、壓—拉轉(zhuǎn)化區(qū)；王金安等[5]認為漸進破壞的頂板和礦柱造成了采空區(qū)頂板瞬間失穩(wěn)，導(dǎo)致了地面塌陷的形成；張道勇[6]運用數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)進行沉陷模擬，得出地面塌陷的形成與采空區(qū)頂板、礦柱以及地表覆巖的移動變形關(guān)系密切。在巖溶塌陷領(lǐng)域，劉新建等[7]對恩口煤礦閉坑后巖溶塌陷的基本特征與地下水動力條件相互關(guān)系進行分析，認為該地區(qū)地面塌陷存在浮托—軟化模式與潛蝕—失穩(wěn)模式兩種致塌模式；羅小杰[8]依據(jù)可溶巖上覆蓋層物質(zhì)成分、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性能的差異，將地面塌陷成因分為沙漏型、土洞型和泥流型3種類型；梁國印等[9]研究認為大頂上巖溶塌陷形成機制是淺部隱伏巖溶連通、機械潛蝕和降水入滲三種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。前人有關(guān)地面塌陷成因機制的研究成果較好地總結(jié)了不同類型地面塌陷的成因機制和破壞模式[10-11]，但其研究成果大多集中在采空塌陷或巖溶塌陷單個領(lǐng)域，對于巖溶地區(qū)采礦引起的復(fù)合型地面塌陷少有文獻論及。復(fù)合型地面塌陷的形成不僅受到采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)和埋深影響，還與塌陷區(qū)的巖溶發(fā)育程度、地下水以及地表松散堆積物等密切相關(guān)，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型也與單純的采空或巖溶塌陷全然不同，因而前人有關(guān)地面塌陷形成機制的研究成果并不能完全適用于復(fù)合型地面塌陷領(lǐng)域[12]。因此，本文以鐘祥市磷礦區(qū)地面塌陷為研究對象，開展巖溶和采礦共同作用下的復(fù)合型地面塌陷成因機制研究，為該地區(qū)地面塌陷的預(yù)測和防治打下基礎(chǔ)，也為類似地區(qū)地面塌陷研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

鐘祥市磷礦區(qū)地處新華夏系第二沉降帶的江漢盆地北部邊緣與淮陽山字型構(gòu)造前弧西翼中段交接地帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北北西向為主，其中胡集—石牌斷裂和漢江東斷裂貫穿全區(qū)，控制了本區(qū)的構(gòu)造形跡及地層分布。區(qū)內(nèi)出露地層主要為前震旦系、震旦系上統(tǒng)陡山沱組和燈影組、寒武系下統(tǒng)石牌組以及第四系，其中磷礦層分布在震旦系上統(tǒng)陡山沱組，碳酸鹽巖除在前震旦系和第四系以外的地層中均有分布。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水含水介質(zhì)特征、賦存條件及富水特征，區(qū)內(nèi)地下水含水巖組劃分為：松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水、變質(zhì)巖風化裂隙水。含水巖組多呈階梯狀迭置，砂卵(礫)石層與碳酸鹽巖類巖溶含水層之間無隔水巖組，水力聯(lián)系密切。區(qū)內(nèi)地形北高南低，碳酸鹽巖廣泛分布，斷裂構(gòu)造發(fā)育，為地下水徑流提供了良好的地質(zhì)條件，也為巖溶發(fā)育及地面塌陷提供了必備的水動力條件。本區(qū)磷礦床屬發(fā)育在大地侵蝕面之上、海浸底部的沉積型磷塊巖礦床。區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，礦層產(chǎn)狀變化較大。礦層傾向北東、南西，傾角5°～40°。地下開采均采用斜井開拓方式、房柱式采礦法進行開采，采空區(qū)回采主要為沿傾向后退式回采，礦房回采一般采用沿走向前進式推進，礦房間預(yù)留礦柱，爆破落礦，采用輕軌配翻轉(zhuǎn)式礦車出礦。

2 地面塌陷基本現(xiàn)狀

鐘祥市磷礦開發(fā)利用始于上個世紀50年代，起初為小規(guī)模露天開采，到八九十年代，區(qū)內(nèi)磷礦開采轉(zhuǎn)入地下。進入21世紀，磷礦企業(yè)蓬勃發(fā)展，極大加快了磷礦資源的開采速度，導(dǎo)致出現(xiàn)了大面積采空區(qū)，地面塌陷問題也日益嚴重。據(jù)資料統(tǒng)計，鐘祥市磷礦區(qū)共計發(fā)生地面塌陷247次，主要分布在雙河鎮(zhèn)斑竹地區(qū)、胡集鎮(zhèn)泉口—大峪口地區(qū)以及磷礦鎮(zhèn)朱堡埠地區(qū)。礦區(qū)內(nèi)地面塌陷多以零星單坑形式出現(xiàn)，局部河谷地段出現(xiàn)呈串珠狀或帶狀分布的塌陷群。塌陷坑形態(tài)呈漏斗狀，平面以圓形、橢圓形及長條形為主，塌陷深度一般在3～20 m，單坑發(fā)育面積一般在10～5 000 m2。根據(jù)地面塌陷的分布特征，對其發(fā)育規(guī)律總結(jié)如下：①地下采礦開始后，地面塌陷呈現(xiàn)逐年增多的趨勢，其原因是地下采礦抽排水改變了礦區(qū)及其周邊的巖溶水文地質(zhì)條件，同時磷礦開采形成的采空區(qū)變形破壞了上覆巖體的完整性，加速了地面塌陷的形成。據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1998年以前鐘祥磷礦區(qū)出現(xiàn)地面塌陷共計28次，1998年至今鐘祥磷礦區(qū)及其影響范圍的地面塌陷迅速增加，多達219次；②地面塌陷集中分布在地勢低洼或構(gòu)造發(fā)育地段，地勢低洼地段容易形成地表水匯集，松散巖類孔隙水的垂直入滲作用強烈，伴隨著強烈的潛蝕作用，土體不斷遭受潛蝕破壞，加速了土洞的形成；構(gòu)造發(fā)育地段巖體極為破碎，致使區(qū)內(nèi)沿斷裂帶地段地下水富集，巖溶洼谷、洞穴也極其發(fā)育，容易導(dǎo)致地面塌陷集中發(fā)育，其中僅泉口和張灣—峽卡河等地勢低洼和構(gòu)造發(fā)育段，集中連片出現(xiàn)地面塌陷100余次；③采空區(qū)范圍內(nèi)的塌陷較采空區(qū)外的塌陷規(guī)模大且數(shù)量多，采空區(qū)范圍內(nèi)的地面塌陷受巖溶地質(zhì)條件和采空區(qū)變形的雙重作用影響，不僅地下水變化速度快，而且采空區(qū)變形引起上覆基巖完整性變差，因此容易出現(xiàn)大規(guī)模高頻次的地面塌陷。據(jù)資料統(tǒng)計，僅朱堡埠礦區(qū)和大峪口礦區(qū)共計發(fā)生地面塌陷109次，地面塌陷總面積超過60×104m2。

圖1 鐘祥市斑竹村地面塌陷分布圖Fig.1 Surface collapses distribution map of Banzhu Village,Zhongxiang City1.塌陷點及編號；2.第四系上更新統(tǒng)沖洪積層；3.隱伏斷裂(F1)。

3 地面塌陷形成機制研究

3.1 地面塌陷數(shù)值模擬分析

3.1.1數(shù)值模型建立

復(fù)合型地面塌陷是一種影響因素眾多且復(fù)雜的動力過程，它受巖層的賦存狀態(tài)、圍巖應(yīng)力情況、采空區(qū)特征以及巖溶發(fā)育情況[13]等諸多因素的影響，通常無法用解析方法簡單地求解。FLAC3D數(shù)值模擬軟件可以通過抽象概化地質(zhì)模型來計算巖土體應(yīng)力、位移的近似解，從而評價分析巖土體的應(yīng)力、應(yīng)變特征[14]。因此，本文選取FLAC3D模擬軟件開展磷礦區(qū)地面塌陷的應(yīng)力應(yīng)變分析，以期能對復(fù)合型地面塌陷形成機制取得更多的認識。本次研究設(shè)計三種不同的模擬分析方案：方案一，僅有溶洞存在的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型；方案二，僅有采空區(qū)存在的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型；方案三，采空區(qū)和溶洞同時存在的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。各方案中，覆蓋層厚約6 m，溶洞規(guī)模選取6 m×9 m，采空區(qū)空間特征與磷礦實際采礦形成的規(guī)模保持大體一致，采空區(qū)規(guī)模為6 m×6 m，礦柱大小為6 m×6 m，采空區(qū)埋深約40 m。地質(zhì)模型如圖2-圖4，模擬過程中的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 方案一模型圖Fig.2 The model diagram of scheme one

圖3 方案二模型圖Fig.3 The model diagram of scheme two

圖4 方案三模型圖Fig.4 The model diagram of scheme three

表1 鐘祥市磷礦區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil at phosphate mines area in Zhongxiang city

3.1.2模擬結(jié)果分析

(1) 方案一：僅有溶洞存在時的應(yīng)力應(yīng)變分析。如圖5、圖6所示，溶洞范圍覆巖位移矢量方向總體向下，最大位移位于溶洞的頂板處，位移量為3.345 cm。從溶洞頂板至地表位移逐漸減小，地表位移在0.25～2.25 cm變化，位移最大位于埋深最淺溶洞以上地表處。巖層豎直方向的應(yīng)力從上到下逐漸增大，由于溶洞的存在，溶洞周邊巖體應(yīng)力發(fā)生改變，導(dǎo)致溶洞兩側(cè)巖體成為應(yīng)力集中區(qū)，反之，溶洞頂部和底部成為應(yīng)力消減區(qū)。

圖5 位移云圖(方案一)Fig.5 Displacement nephogram (scheme one)

圖6 Z方向應(yīng)力云圖(方案一)Fig.6 Z-direction stress nephogram (scheme one)

(2) 方案二：僅有采空區(qū)存在時的應(yīng)力應(yīng)變分析。如圖7、圖8所示，采空區(qū)覆巖位移矢量方向總體向下，采空區(qū)頂板以外區(qū)域位移方向均有不同程度向采空區(qū)偏轉(zhuǎn)，計算模型中最大位移位于礦房的頂板中心處，位移量約為4.685 cm。從采空區(qū)頂板至地表位移逐漸減小，地表位移在0.1～3.0 cm變化。由于磷礦的開挖，采空區(qū)周邊應(yīng)力改變，致使磷礦礦柱應(yīng)力集中，出現(xiàn)承壓變形，其頂端位移可達2.0 cm。巖層Z方向的應(yīng)力為從上到下逐漸增大。地下磷礦開挖后，采空區(qū)周邊巖體應(yīng)力發(fā)生改變，由于采空區(qū)分布規(guī)律，巖層應(yīng)力變化呈現(xiàn)對稱分布。原本上覆巖層作用于礦層的重力向礦柱發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致礦柱成為應(yīng)力集中區(qū)，根據(jù)本次模擬結(jié)果，礦柱Z方向應(yīng)力最大可達1.4 MPa。

圖7 位移云圖(方案二)Fig.7 Displacement nephogram (scheme two)

圖8 Z方向應(yīng)力云圖(方案二)Fig.8 Z-direction stress nephogram (scheme two)

(3) 方案三：采空區(qū)和溶洞同時存在時的應(yīng)力應(yīng)變分析。如圖9、圖10所示，采空區(qū)和溶洞頂板覆巖位移矢量方向總體向下，采空區(qū)或溶洞頂板以外區(qū)域位移方向均有不同程度向采空區(qū)或溶洞偏轉(zhuǎn)。計算模型中最大位移位于埋深最淺溶洞的頂板中心處，位移量為5.956 cm。在采空區(qū)和溶洞的疊加影響下，地表變形呈現(xiàn)不規(guī)律變化，但總體在0.5～5.0 cm之間變化。采空區(qū)礦柱的應(yīng)力變形受到采空區(qū)和溶洞的雙重控制，溶洞越靠近采空區(qū)，礦柱變形越小，礦柱變形在1～2 cm之間變化。巖層Z方向的應(yīng)力從上到下逐漸增大。受采空區(qū)和溶洞雙重影響，巖層應(yīng)力變化呈現(xiàn)不規(guī)則分布。溶洞或采空區(qū)兩側(cè)應(yīng)力集中明顯，應(yīng)力最大值高達1.4 MPa。

圖9 位移矢量圖(方案三)Fig.9 Displacement vector map (scheme three)

圖10 位移云圖(方案三)Fig.10 Displacement nephogram (scheme three)

本次研究對三次模擬計算的地表位移以10 m為間隔進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析(圖11)，進一步探討了溶洞或采空區(qū)對地表位移的影響。地表位移變化曲線大致可以劃分為三個階段：①平距10～40 m區(qū)段，方案一曲線接近“零值”，表明該段地表位移受溶洞影響甚微；方案二曲線近“對數(shù)”增長，表明該段地表位移受采空區(qū)控制明顯；方案三曲線與方案二曲線變化一致，表明該段地表位移主要由采空區(qū)控制。②平距40～180 m區(qū)段，方案一曲線呈現(xiàn)上下不規(guī)律波動，波動變化與溶洞的分布和埋深密切相關(guān)；方案二曲線處在一個較大值呈近水平變化，表明采空區(qū)對地表位移作用明顯，但影響較為穩(wěn)定；方案三曲線與方案一曲線變化趨勢一致，但其位移值遠大于方案一，是因為該區(qū)段采空區(qū)對地表位移影響呈近水平變化，所以地表位移變化趨勢與方案一變化趨勢一致，表明該段地表位移是采空區(qū)和溶洞雙重影響的結(jié)果。③平距180～230 m區(qū)段，三種方案曲線均呈現(xiàn)下降趨勢，是因為平距越大，地表離采空區(qū)和溶洞越遠，地表位移受其影響作用越小，但受采空區(qū)和溶洞的雙重影響，方案三曲線下降趨勢最為明顯。

圖11 地表位移變化曲線Fig.11 The change curve of surface displacement

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，采空區(qū)或溶洞的存在破壞了巖層原始應(yīng)力平衡，改變了巖體內(nèi)原有的自然應(yīng)力場，引發(fā)巖體應(yīng)力重新分布，一般情況下巖體應(yīng)力以地下空洞為中心近對稱分布。在巖體應(yīng)力變化影響下，地下空洞上覆巖層出現(xiàn)移動變形，變形位移沿著地下空洞頂板往上依次減小。同時，地表也會形成一個比地下空洞大得多的移動盆地，移動盆地的形態(tài)與地下空洞的分布、規(guī)模以及埋深密切相關(guān)，地下空洞大小一致且分布規(guī)律，則地表形成近對稱的移動盆地；地下空洞大小不一且分布雜亂，則地表移動呈現(xiàn)不規(guī)律變化。

3.2 地面塌陷影響因素分析

綜合前期現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬分析，鐘祥市磷礦區(qū)復(fù)合型地面塌陷是一個包含采空區(qū)、溶洞，同時又受到地下水﹑時間引起的流變等復(fù)雜多因素的影響[15]，對其影響因素綜合分析后可以歸納總結(jié)為以下三個方面：

(1) 巖溶地質(zhì)條件。研究區(qū)第四系松散覆蓋層分布廣泛，覆蓋層厚度在3～15 m，平均厚度約7.5 m，巖性以褐黃色碎石土為主。由于覆蓋層結(jié)構(gòu)松散、厚度小，在地下水的滲流潛蝕作用下，易形成土洞。覆蓋層下伏為震旦系或寒武系的可溶性碳酸鹽巖，巖層厚度大、范圍廣，為巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。區(qū)內(nèi)主控構(gòu)造為北北西向深大壓扭性斷裂和伴生的張扭性斷裂構(gòu)造，受斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙控制，區(qū)內(nèi)巖體層間擠壓錯動強烈，巖石破碎嚴重，致使區(qū)內(nèi)沿斷裂帶地段地下水富集，加速了巖溶管道和巖溶洞穴的形成，為地面塌陷的形成提供了物質(zhì)儲存空間和運移途徑。同時，溶蝕裂隙和構(gòu)造裂隙破壞了巖體的完整性，削減了巖體力學(xué)強度，不利于地層的整體穩(wěn)定，為地面塌陷形成提供了條件。

(2) 地下水動力條件。區(qū)內(nèi)主要含水層為松散巖類孔隙水和巖溶水，松散巖類孔隙水水位埋深在3～15 m，巖溶水水位埋深>30 m，二層地下水存在較大的水頭差。水頭差會引起松散巖類孔隙水的垂直入滲作用強烈，伴隨著強烈的潛蝕作用，土體不斷遭受潛蝕破壞，加速了土洞的形成[16]。區(qū)內(nèi)導(dǎo)水斷裂和溶蝕裂隙的發(fā)育為地下水徑流、排泄提供了良好的條件，地下水徑流作用攜帶走大量的溶隙、溶洞中的細顆粒物質(zhì)，也使上部覆蓋層的土層物質(zhì)逐漸流失，致使巖層中溶隙、溶洞不斷被潛蝕掏空，疊加磷礦開采的抽排水活動，促使地下水水位驟變(驟降或驟升)，導(dǎo)致上部覆蓋層土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)改變，從而失穩(wěn)發(fā)生塌陷[17]。同時，地下水入滲到采空區(qū)形成積水，也會對礦柱、圍巖進行長期浸泡、軟化，導(dǎo)致巖石力學(xué)強度下降，致使礦柱和圍巖破壞，加速采空區(qū)變形。

(3) 采空區(qū)。采空區(qū)對地面塌陷形成的影響是多方面的：①采空區(qū)存在會引發(fā)上覆巖層破壞且形成大量裂隙，采動裂隙與巖溶裂隙導(dǎo)通，將加速地下水進入采空區(qū)，引起礦區(qū)地下水位大幅度下降，易在溶洞內(nèi)形成巖溶真空腔，隨著巖溶真空腔內(nèi)外壓差不斷增大，最終引起溶洞塌陷。同時，地下水進入采空區(qū)，會引起圍巖、礦柱的破壞，進一步加劇采空區(qū)變形。②采空區(qū)的存在容易導(dǎo)致上覆巖層的溶洞與采空區(qū)貫通，地表覆蓋層松散土體通過溶洞、溶蝕裂隙與采空區(qū)連通，縮短了物質(zhì)運移的途徑，縮小了其阻力，加速了土洞的形成和發(fā)展。特別是礦區(qū)停采后，無人管理頂板及封堵溶洞，可能存在頂板失穩(wěn)、溶洞封堵塌落失效的現(xiàn)象，上方土體甚至可以僅依靠重力作用進入采空區(qū)，更加速了土洞的形成和塌陷的發(fā)生。③采空區(qū)的存在會引發(fā)地表土層移動破壞，導(dǎo)致淺表覆蓋層土體裂隙的產(chǎn)生。當?shù)乇硗翆恿严杜c淺部巖溶裂隙貫通之后，淺表水以及地表土層通過裂隙進入淺部溶洞中，不僅會造成地表水以及土顆粒的流失，同時會造成溶洞內(nèi)部環(huán)境變化，使巖溶塌陷的幾率增大。

3.3 地面塌陷形成機制分析

鐘祥市磷礦區(qū)復(fù)合型地面塌陷從孕育到發(fā)生，其形成過程大致經(jīng)歷了四個階段。

(1) 溶洞潛伏階段：磷礦開挖前，地表下伏巖體的原始應(yīng)力場處于相對平衡狀態(tài)，且地下水位波動較小，碳酸鹽巖地層中的溶洞受外界因素影響小，發(fā)展擴大緩慢，處于相對穩(wěn)定的潛伏階段。

(2) 采動裂隙控制土洞形成階段：磷礦層被開采以后，采空區(qū)周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，改變了地層巖體內(nèi)原有的自然應(yīng)力場，應(yīng)力會重新分布以達到新的平衡狀態(tài)。此時，采空區(qū)內(nèi)部壓應(yīng)力消失，頂板巖層壓應(yīng)力被拉應(yīng)力所代替，當巖體內(nèi)部拉應(yīng)力超過巖石強度極限時，引起周圍巖石破壞，導(dǎo)致采空區(qū)覆巖會形成大量采動裂隙。采動裂隙與巖溶裂隙導(dǎo)通，會加速地下水進入采空區(qū)，引起礦區(qū)地下水水位大幅度下降。一方面，地下水水位大幅度下降會引起第四系土層孔隙水向下滲流補給巖溶水的作用增強，在集中滲流點(巖溶管道開口、裂縫)附近，作用于上覆土層的水力坡度超過了土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡度，土體發(fā)生滲透變形，逐漸形成土洞；另一方面，地下水水位迅速下降會在溶洞內(nèi)形成巖溶真空腔，覆蓋層土體在真空吸蝕作用下也會加速土洞的形成。

(3) 采空區(qū)變形加速土洞發(fā)展階段：地下水進入采空區(qū)后，會對礦柱產(chǎn)生浸泡軟化作用，礦柱的巖石力學(xué)強度會大大降低，其中應(yīng)力最為集中的中央礦柱開始出現(xiàn)變形并破壞，從而引發(fā)采空區(qū)上覆地層移動與變形。在整個巖層移動與變形過程中，存在著巖石垮落、斷裂、離層、裂隙、沿層面滑移、彎曲等破壞形式。巖層的移動破壞表現(xiàn)在兩方面，即一是加速了溶洞的發(fā)展擴張，最終導(dǎo)致溶洞與采空區(qū)貫通，地表覆蓋層松散土體通過溶洞、溶蝕裂隙直接進入采空區(qū)，縮短了物質(zhì)運移的途徑，縮小了其阻力，促進了土洞的發(fā)展；二是會引起地表覆蓋層產(chǎn)生裂隙，地表土層裂隙與巖溶裂隙貫通后，淺表水以及地表土?xí)ㄟ^裂隙進入淺部溶洞中，造成土顆粒的流失，加速土洞的發(fā)展擴大。

(4) 地面塌陷形成階段：隨著時間的發(fā)展，失效礦柱范圍逐步擴大，采空區(qū)頂板巖層斷裂、破碎和垮落，導(dǎo)致上覆巖層形成三個影響帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。當彎曲下沉帶波及到地表，地表會出現(xiàn)下沉或移動變形，造成覆蓋層已有裂隙擴張或產(chǎn)生更多裂隙，大大降低了覆蓋層土體完整性，導(dǎo)致土體內(nèi)部黏結(jié)力作用減弱，土體顆粒自由度提升，從而破壞土洞的拱效應(yīng)，引發(fā)土洞失穩(wěn)而形成地面塌陷。

4 結(jié)論

(1) 本次研究選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對鐘祥市磷礦區(qū)地質(zhì)模型進行了模擬分析，表明鐘祥市磷礦區(qū)地面塌陷的形成是由采空區(qū)和溶洞雙重影響的結(jié)果。采空區(qū)或溶洞的存在破壞了巖層原始應(yīng)力平衡，引發(fā)了巖體應(yīng)力重新分布。在巖體應(yīng)力變化影響下，地表會形成一個遠大于地下空洞的移動盆地，移動盆地的形態(tài)與地下空洞的分布、規(guī)模以及埋深等密切相關(guān)。

(2) 鐘祥市磷礦區(qū)復(fù)合型地面塌陷影響因素主要有礦區(qū)的巖溶地質(zhì)條件、采空區(qū)以及地下水等，巖溶地質(zhì)條件為塌陷形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，地下水為塌陷形成提供了動力條件，采空區(qū)則是塌陷形成首要的誘發(fā)因素。三種因素相互作用、相互影響，促使了地面塌陷大面積的發(fā)生。

圖12 鐘祥市磷礦區(qū)復(fù)合型地面塌陷形成機制分析Fig.12 Analysis on the formation mechanism of composite surface collapse at phosphate mines area in Zhongxiang city

(3) 鐘祥市磷礦區(qū)復(fù)合型地面塌陷從孕育到形成經(jīng)歷了四個階段：①磷礦開挖前，溶洞受外界干擾小，處于相對穩(wěn)定的潛伏階段；②磷礦初采后，礦區(qū)地下水水位大幅度下降，在水流潛蝕和真空吸蝕作用下，覆蓋層土體下伏形成土洞；③局部礦柱破壞后，采空區(qū)頂板巖層發(fā)生移動破壞，加速土洞的發(fā)展擴大；④采空區(qū)頂板失穩(wěn)冒落后，引起地表移動變形，破壞了土體的完整性和土洞的拱效應(yīng)，引發(fā)土洞失穩(wěn)而形成塌陷。